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生物降解材料PHA的应用及产业化 |
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| http://cn.newmaker.com
5/6/2010 7:09:00 PM
雅式工业专网
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 在自然环境下即可完全分解的PHA材料具有从刚性材料到弹性体的性能，应用范围几乎可以涵盖所有通用塑料领域，并且在环保性能、生物相容性以及缓释性能方面具有其他材料不可比拟的优势，发展前景不可限量。
聚羟基脂肪酸酯(简称PHA)，是微生物作为碳源和能源储备物来合成的，一般以内含体的形式存在於微生物细胞体内。由於PHA具有不同的单体结构，因此种类繁多。既有由短链单体组成的PHA，也有由中长链单体组成的PHA，还有由不同种类单体组成的共聚物。
PHA是一个包含多种聚酯的生物高分子材料家族，作为一种热塑性材料，在无需堆肥的情况下，3-6个月之内在自然环境下即可完全分解为二气化碳和水。PHA可以作为生物材料应用，已日趋成熟，并形成了一个产业链。国内外相继建立了与PHA大规模生产相关的二十几家公司。PHA和相关技术正在形成一个从发酵、材料、能源到医学领域的工业价值链。可喜的是，中国PHA研究的各个领域近年取得跨越式的发展，相关产业也得到大力发展。2010年，将是PHA产业大发展的年份。
材料应用
迄今，数种PHA，包括聚-3-羟基丁酸酯（PHB）、3-羟基丁酸和3-羟基戊酸共聚物（PHBV）、3-羟基丁酸和4-羟基丁酸共聚物（P3HB4HB）、3-羟基丁酸和3-羟基己酸共聚物（PHBHHx）及中长链PHA（mcl PHA）均实现了大规模生产 。
基於其特殊的聚合物性能，不同结构和性能的PHA已作为生物塑料、纤维、生物医学植入材料及药物缓释载体等被广泛地研究。最初，PHA被德国的Wella AG公司用於制作日常用品及包装材料。PHA也被P&G、Biomers、Metabolix及其它一些公司开发为包装膜，主要用於购物袋、集装箱、纸张涂料和一次性的用品，例如剃面刀、器皿、尿布、女性卫生产品、化妆品容器和杯子及医疗器械手术服、家居装饰材料、地毯、包装袋和堆肥袋等。北京化工大学、汕头大学与天津国韵公司就合作开发了许多PHA的类似应用。
PHA作为医用材料在缝线、修复装置、维修补丁、绷带、心血管补丁、骨科针、防粘连膜、支架、引导组织修复/再生设备、关节软骨修复支架、神经导管、肌腱修复装置、脊髓支架、人造食道及伤口敷料等方面的应用已被广泛研究。近期研究显示，PHBHHx因良好的压电性而被成功的用於促进骨骼再生，PHBHHx也成功地被清华大学和北京天助公司用於神经损伤的修复和人工血管应用。
国外业内人士Shishatskaya等人发现，在长於一年的试验期中，PHB和PHBV单纤维缝合没有造成植入区的体内任何不良反应。在对於PHBHHx的研究中，北京的研发人员也发现了类似的现象。PHBHHx最重要的性质之一是作为植入生物材料的无毒、无免疫刺激特性，而且其降解产物包括单体和低聚物，甚至激活钙离子通道并促进受损组织再生。
P4HB被成功的批准为植入生物材料，更多PHA生物材料将很快进入临床试验。因为PHA材料的多样性，人们可以期望PHA成为一个具有丰富用途的生物植入材料家族。
PHA在药物控制释放方面的应用的研究很多。由於现有的缓释给药产品，乳酸和乙醇酸的均聚物PLA和PGA以及共聚物PLGA乙醇酸共聚合物，通过快速水解而降解。因此，不能完全实现长效的控制药物释放。
90年代初期，由於生物降解性、生物相容性和表面侵蚀性降解，PHA成为制作药物载体候选材料。迄今为止，国内外研究者在药物控制释放的应用上只对PHB和PHBV进行了研究。预计具有不同特性的其他的PHA家庭成员将有更多的控制药物释放特性。这仍然是一个有待开发的领域。
产业化
从1980年开始，因预计石油因其耗尽而导致涨价以及人们可能更倾向於使用环境友好型的非石化塑料，即生物可降解塑料、“绿色”或生态塑料，很多公司，特别是国内的许多中小型企业，尝试实验性或工业化的生产各种PHA。世界范围内从事PHA生产和研究的公司
 美国Metabolix公司和天津国韵生物材料公司从2009年起每年分别生产5万吨和1万吨PHA。届时，全球的聚合物公司将有足够的PHA材料供研究使用，有望出现聚焦於PHA新材料应用的发展新潮流。同时，由PHBV材料制成的产品已经在欧洲巿场销售。
PHA大规模的供给也可促进它作为一种具有稳定性能的新塑料的发展。从长远看来，PHA的生产成本会不断地降低。主要是因为PHA的合成是在水相里完成的，微生物可以利用任何碳源来进行发酵生产PHA。同时，不像PLA和PBS等生物塑料，PHA的聚合完全是个生物过程，聚合分子量很高，性能多样，应用也多样，使PHA具有更好的巿场前景。
PHA的生产包括菌种复苏、摇瓶优化、初级发酵实验及工厂级放大发酵。PHA的有效微生物生产取决於几个因素，包括最终细胞密度、细菌生长速率、PHA在细胞乾重中的百分比、达到最高细胞密度所需要的时间、底物和产物间的转化效率、底物价格及提纯PHA的方法。在PHA生产技术的开发不同阶段，必须考虑以上的因素。通过不断的优化工艺，保证PHA生产成本必须足够低，才能使PHA更为广泛的巿场应用。
此外，针对特定的用途，PHA还应该有合适的性能，这些性能包括合适的分子量、由单体结构组成及PHA生产条件共同决定的机械和热力学性能等。基因工程、分子进化、合成生物学及PHA生产条件操控等技术被大量地应用於生产具有特异结构和超高分子量的PHA。
市场前景
PHA材料多样的品种和结构，使其具有了从刚性材料到弹性体的性能，应用范围几乎可以涵盖所有通用塑料领域，并且在环保性能、生物相容性以及缓释性能方面具有其他材料不可比拟的优势。因此，随该材料产业化进程的不断推进，生产技术水平的不断提高，产品质量的进一步稳定，产品成本的进一步降低，生物基PHA必将具有更为广阔的巿场前景。
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